Czujniki światłowodowe w zastosowaniu do diagnostyki medycznej - Popenda, Maciej (Optical fiber sensors for medical diagnostics, 2020)
Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy tematu wykorzystywania światłowodów mikrostrukturalnych o pustym rdzeniu do budowy układów pobudzenia i detekcji optycznych zjawisk nieliniowych w próbkach biologicznych. Włókna te, ze względu na posiadanie rdzenia w postaci pustego otworu powietrznego, mogą przesyłać znacznie większe moce optyczne niż światłowody konwencjonalne. Co więcej, dyspersja tych włókien jest minimalna, dzięki czemu ultrakrótkie (tj. piko- i femtosekundowe) impulsy świetlne nie ulegają poszerzeniu czasowemu, które negatywnie wpływa na wydajność wzbudzania zjawisk nieliniowych. Same metody nieliniowe znalazły szerokie zastosowanie w medycynie i biologii. W celu pobudzenia wykorzystują one długości fali z zakresu bliskiej podczerwieni, które są mniej szkodliwe dla próbek biologicznych w porównaniu do promieniowania UV. Metody nieliniowe zapewniają również znacznie lepszą selektywność pobudzenia jak również i możliwość obrazowania na większych głębokościach tkanek (nawet 1 mm). Połączenie włókien mikrostrukturalnych o pustym rdzeniu z nieliniowymi metodami optycznymi ma więc ogromny potencjał. Daje bowiem możliwość zbudowania miniaturowego, elastycznego układu czujnikowego, który pozwalałby na dostarczenie ultrakrótkiego sygnału pobudzenia nawet do miejsc trudno dostępnych lub wyjątkowo wrażliwych (np. mózg). W pracy zaprezentowano 3 różne konstrukcje czujników światłowodowych opierających się o włókna mikrostrukturalne o pustym rdzeniu. Pokazano zarówno rozwiązania konwencjonalne (światłowód mikrostrukturalny jako element transmitujący impulsy pobudzające próbkę, sygnał odpowiedzi optycznej próbki był odbierany za pomocą włókien plastikowych), jak i bardziej nowatorskie, opierające się o pojedyncze włókno antyrezonansowe o pustym rdzeniu. Pokazano również układ całkowicie światłowodowy, składający się z połączenia konwencjonalnego sprzęgacza wielomodowego oraz włókna typu PBG (ang. Photonic Bandgap). Dwa ostatnie rozwiązania stanowią jedne z pierwszych na świecie prób stworzenia tego typu czujników – z minimalną ilością optyki wspomagającej, ograniczone do rozmiaru pojedynczego włókna. We wszystkich 3 przypadkach, czujniki zostały wykorzystane do nieliniowego, dwufotonowego pobudzenia fluorescencji w wodnych roztworach związków takich, jak FAD, NADH czy fluoresceina. Oprócz powyższych konstrukcji czujnikowych, dysertacja zawiera również wyniki związane z modelowaniem włókien antyrezonansowych. Pokazane zostały struktury typu Kagomé o obniżonych stratach w paśmie (700-850) nm i minimalnej dyspersji, jak również i niewielkiej zależności ich właściwości optycznych od rodzaju materiału budującego strukturę.
Keywords: światłowody mikrostrukturalne; światłowody antyrezonansowe; czujniki światłowodowe; fluorescencja; projektowanie światłowodów